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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines Thermoelementes
in einem von strömendem Hochdruckdampf oder von strömenden Gasen durchflossenen
Kanal mittels einer hohlen Metallhülse, in der jeder Zuleitungsdraht zur messenden
Kontaktstelle des Thermoelementes isoliert angeordnet ist und in der diese Stelle
in Kontakt mit der Metallhülse steht, und ein Werkzeug zum Einsetzen des Thermoelementes
in diese Hülse.
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Für eine sichere und wirtschaftliche Steuerung des Betriebes von
Dampfkesseln und Dampfturbinen ist es notwendig, die Temperatur von Frischdampf
in der Rohrleitung hinter dem Kessel und vor der Turbine sowie auch in anderen Teilen
der Dampfleitung zu messen. Zu diesem Zweck werden Temperaturmeßfühler verwendet,
welche die Messung elektrisch mittels Thermoelementen und Widerstandsthermometern
durchführen, welche in Hülsen angeordnet sind, die von der inneren Rohrwandung der
Dampfleitung in diese hineinragen (USA.-Patentschrift 2 757 220). Bei hohen Werten
von Druck und Temperatur und hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Dampfes in der
Rohrleitung kommt es infolge von Schwingungen der frei in den Dampfstrom ragenden
Hülsen, welche lediglich einseitig eingespannt sind, oftmals zu einem Bruch der
Temperaturmeßhülsen in der Rohrleitung. Dieser Bruch wird durch die bei der Umströmung
der Hülsen durch den Dampf auftretenden Kräfte, insbesondere Wirbelkräfte, (Karmann-Wirbel)
hervorgerufen. Der Bruch der einseitig in die Wandung der Rohrleitung eingespannten
Hülsen führt zu einem Eindringen der abgebrochenen Hülsen in die Turbine, bzw. irgendwelche
anderen Dampfverbraucher, was zu schweren Beschädigungen führen kann. Zumindest
macht der Bruch einer Hülse in jedem Falle eine Abstellung des Kessels, der Turbine
und eventuell des ganzen Kraftwerkblocks erforderlich.
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Man hat versucht, der Gefahr des Hülsenbruchs durch Verwendung von
sehr starkwandigen Hülsen zu begegnen. Sehr große Wanddicken verursachen jedoch
bei Temperaturänderungen des strömenden Dampfes eine unerwünscht große Verzögerung
und Ungenauigkeit der Anzeige. Diese Nachteile beeinflussen die richtige Tätigkeit
von automatischen Reglern sehr ungünstig, sind Ursache einer Verkürzung der Lebensdauer
der gesamten Einrichtung und gefährden die Sicherheit. Darüber hinaus sind starkwandige
Hülsen ein Hindernis in der Strömungsbahn des Dampfes und dadurch sowie durch die
insbesondere an starkwandigen Hülsen hervorgerufenen Wirbel in der Dampfleitung
von Nachteil.
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Diese nachteiligen Wirkungen der Behinderung der Strömung treten
auch bei einer Hülse auf, die an ihrem Ende Öffnungen aufweist, durch die der Dampf
in die Hülse eintreten kann und hier im Inneren der Hülse an einem Thermoelement
vorbeistreichen kann. Denn gerade diese Ausführung bringt eine besonders starkwandige
Bauart der Hülse und einen besonders großen Hülsenquerschnitt mit sich (USA.-Patentschrift
2 971 997).
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Nicht nur bei der Messung von Dampftemperaturen sind in Hülsen untergebrachte
Thermoelemente bekanntgeworden, sondern auch bei den Pyrometern,. welche zur Messung
der Temperatur in geschmolzenen Metallen dienen. Bei diesen Meßinstrumenten sind
die Hülsen aus Graphit, Plumbago oder Siliciumcarbid hergestellt. In einer bekannten
Ausführungs-
form (USA.-Patentschrift 1 660 504) ist die Hülse konusförmig ausgebildet
und weist am Ende eine Verengung auf, in welcher die Lötstelle des Thermoelementes
untergebracht ist. In einer anderen bekannten Ausführungsform (deutsches Gebrauchsmuster
1 795 957) ist die Hülse zylindrisch und am Ende ebenfalls mit einer Verengung des
äußeren Querschnittes gestaltet. Diese Verengung des äußeren Querschnittes dient
zur Erzielung eines besseren Wärmeüberganges.
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Gänzlich ohne Hülsen arbeitet man in Windstärkemessern, bei denen
die Wandstärke durch Abkühlung eines erhitzten Drahtes gemessen wird (USA.-Patentschrift
2 314 877). Ein derartiger bekannter Windstärkemesser besteht aus einem mit Fenstern
versehenen Kopf, in dessen Boden drei Metallstifte angeordnet sind, während von
der Decke des Topfes ein vierter Metallstift in den Topf hineinragt. Der mittlere
Metallstift des Bodens und der an der Decke befestigte Metallstift sind die Stromzuleitungen
zu einem zwischen diesen Metallstiften ausgespannten Heizdraht. Zur Mitte dieses
Heizdrahtes sind von den beiden äußeren Metallstiften im Boden ein Kupfer- und ein
Eisendraht geführt, welche mit dem Heizdraht verlötet sind und das Thermoelement
bilden. Eine derartige Anlage kann nur zur Messung von geringen Strömungsgeschwindigkeiten
benutzt werden. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten würden der Heizdraht und
die Drähte des Thermoelementes von der Strömung fortgerissen werden.
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Bekanntgeworden ist auch ein Thermoelement für pyrometrische Zwecke,
bei dem die leitenden Schenkel des Elementenpaares im Vergleich zu den heißen und
kalten Lötstellen einen großen Querschnitt besitzen. Hierdurch ist der Widerstand
des Elementenpaares als Ganzes ohne wesentlichen Verlust an Empfindlichkeit erniedrigt
und dadurch die Messung erleichtert (deutsche Patentschrift 161 223). Dieses für
pyrometrische Zwecke entwickelte Thermoelement ist trotz der verstärkten Leiter
nicht für eine Messung von Dampftemperaturen mit so hohen Strömungsgeschwindigkeiten,
wie sie in Kraftwerken auftreten, geeignet, weil hier die Lötstelle des Thermoelementes
mit ihren sehr dünnen Zuleitungen völlig frei und ohne Schutz einer Hülse liegt.
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Die vorliegende Erfindung schafft nun eine derartige Anordnung eines
in einer Hülse untergebrachten Thermoelementes, bei der ein Abreißen der Hülse nicht
zu befürchten ist, obwohl die Hülse relativ dünnwandig insbesondere in der Mitte
der Rohrleitung am Orte der höchsten Dampfströmung ausgeführt werden kann.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Hülse in zwei weit auseinanderliegenden
angenähert am Rohrmantel gegenüberliegenden Öffnungen in das Rohr eingesetzt ist,
daß der Außendurchmesser der Hülse, ausgehend von ihren beiden Enden, zu ihrer Mitte
hin stetig abnimmt, daß die Achse der Hülse leicht gekrümmt ist, daß im Bereich
des kleinsten Durchmessers der Hülse in ihrem Innern die Meßstelle des Thermoelementes
angeordnet ist. Zweckmäßigerweise sind die Zuleitungen zur Meßstelle nach beiden
Seiten isoliert aus der Hülse herausgeführt.
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Durch die beidseitige Einspannung der Hülse und die besonders strömungsgünstige
Form der stetig zu ihrer Mitte hin im Außendurchmesser abnehmenden Hülse, die gleichzeitig
durch diese Form einen guten Wärmeübergang an der Stelle höchster Strömungsgeschwindigkeit
erreicht,
wird die Gefahr eines Abreißens der Hülse sicher vermieden.
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Für das richtige Einsetzen der Lötstelle des Thermoelementes in die
Hülse ist es zweckmäßig, wenn die Thermoelementhülse in ihrer Mitte innen eine Verengung
aufweist und wenn die Lötstelle der beiden Thermoelementdrähte eine etwa kugelige
Gestalt hat, wobei der Kugeldurchmesser geringfügig größer ist als der innere Durchmesser
der Thermoelementhülse an ihrer Verengungsstelle.
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Das Einsetzen der Lötstelle des Thermoelementes in die gebogene Hülse
läßt sich durch ein Hilfsrohr erleichtern, welches als vorderen Teil eine schraubenartig
gewickelte Feder aufweist, die an ihrem Ende einen zum Einstemmen dienenden Kopf
besitzt.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
Es stellt dar F i g. 1 einen Schnitt durch die Dampfrohrleitung und die erfindungsgemäße
Anordnung des von einer Hülse umgebenen Thermoelementes, F i g. 2 einen Schnitt
durch das Hilfsmittel zum Einsetzen der Lötstelle des Thermoelementes.
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In dem Dampfrohr 1 ist eine Hülse 2 in zwei weit auseinanderliegenden
angenähert am Rohrmantel gegenüberliegenden Öffnungen eingesetzt. Die Öffnungen
können auch diametral gegenüberliegen. Der Außendurchmesser der Hülse 2 nimmt, ausgehend
von ihren beiden Enden, zu ihrer Mitte hin stetig ab.
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Dabei ist die Achse der Hülse leicht gekrümmt. Im Bereich des kleisnten
Durchmessers der Hülse in ihrem Inneren ist die Meßstelle des Thermoelementes angeordnet,
und zwar zweckmäßig in der Mitte der Hülse, also am Ort der höchsten Dampfströmung.
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Die Zuleitungen zur Meßstelle sind nach beiden Seiten isoliert aus
der Hülse herausgeführt. Die Thermoelementhülse 2 weist die Form eines Bogens mit
einem stumpfen Winkel auf. Die Lötstelle der beiden Thermoelementdrähte hat eine
etwa kugelige Gestalt 3, wobei der Kugeldurchmesser geringfügig größer ist als der
innere Durchmesser der Thermoelementhülse 2 an ihrer Verengungsstelle.
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Eingesetzt wird die kugelige Lötstelle 3 mit Hilfe der in F i g.
2 dargestellten Hilfsvorrichtung, welche die Form eines Röhrchens hat, und zwar
mit einem festen Röhrchenteil 4, an dessen einer Stirnseite eine Schraubenfeder
5 befestigt ist, welche an ihrem freien Ende einen Stemmkopf trägt. Durch den Stemmkopf
mit seiner Zentralbohrung, durch die Mitte der Schraubenfeder 5 und durch das Röhrchen
4 wird der
eine Thermoelementdraht durchgefädelt, dann wird der an der Lötstelle
3 anhängende andere Thermoelementdraht in die Hülse 2 eingeschoben und so lange
weiter verschoben, bis die kugelige Lötstelle vor der inneren Hülsenverengung angelangt
ist. Dann kann durch Einstemmen mit Hilfe des Werkzeuges der Fig. 2 die Lötstelle
3 in ihren Sitz eingepreßt werden. Das Einstemmen ist trotz der gebogenen Form der
Hülse 2 möglich, weil die Schraubenfeder 5 sich der Biegung der Hülse 2 anpaßt und
durch ihre aufeinanderliegenden Windungen ein Stemmen ermöglicht.